試析無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的三維實(shí)景建模
——以黃山市屯溪區(qū)為例

汪本榮

（安徽省第三測繪院，合肥230601）

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)概述

對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的原理與特點(diǎn)進(jìn)行梳理，有助于觀測人員從整體層面出發(fā)，把握相關(guān)技術(shù)應(yīng)用流程，細(xì)化三維實(shí)景建模的技術(shù)要求，進(jìn)而為無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用以及三維實(shí)景建模工作的開展提供方向性引導(dǎo)。

1.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)涵蓋了飛行器、地面操控系統(tǒng)等組成部分，通過通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的有效配合，無人機(jī)傾斜攝影形成了自身獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。其操作靈活，對起飛環(huán)境要求較低，因此，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以滿足不同場景下的使用需求。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的這些特性使其在觀測地理信息領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在傾斜攝影環(huán)節(jié)，為了保證傾斜攝影的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)地理信息的準(zhǔn)確、快速獲取，往往需要傾斜攝影傳感器的廣泛參與，具體來看，傾斜攝影傳感器由多個(gè)鏡頭組成，鏡頭之間可以根據(jù)測量需求，進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了同一曝光點(diǎn)上，同一觀測對象不同角度影像的獲取，在完成影像數(shù)據(jù)的獲取后，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸。在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)框架下，實(shí)現(xiàn)對觀測對象正射映像的快速獲取，加之多臺攝像頭的參與，實(shí)現(xiàn)了對正射影像的補(bǔ)充，真實(shí)地反映出觀測對象的相關(guān)情況，實(shí)現(xiàn)了觀測結(jié)果的全面性。與GIS 技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取數(shù)據(jù)的體量相對較小，傳輸周期短，傳輸難度小，傳輸成本低，這些技術(shù)特點(diǎn)，提升了無人機(jī)傾斜攝影的實(shí)用性。

1.2 三維實(shí)景建模

三維實(shí)景建模是通過借助數(shù)碼相機(jī)提供的多角度連續(xù)拍攝影像，借助于后期拼接技術(shù)，進(jìn)行影像的系統(tǒng)化、完整性呈現(xiàn)。作為一種三維虛擬展示體系，可以通過相關(guān)技術(shù)操作，完成影像的放大、縮小以及移動(dòng)，從宏觀、微觀層面，對觀測對象進(jìn)行呈現(xiàn)。除了上述特性，借助于一定的技術(shù)手段，三維實(shí)景建模還可以將圖像資料與熱點(diǎn)鏈接、導(dǎo)航定位等銜接起來，形成一種多維度的觀測視角，從而給用戶更為直觀的使用體驗(yàn)。三維實(shí)景建模的優(yōu)勢，使其被廣泛應(yīng)用于旅游景點(diǎn)導(dǎo)游等產(chǎn)業(yè)部門，伴隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，三維實(shí)景建模的應(yīng)用范圍逐步延伸，逐步成為區(qū)域地理信息成果展示的重要平臺。

2 攝影數(shù)據(jù)獲取與三維實(shí)景建模方法

為保證無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的合理使用，為三維實(shí)景建模提供必要的數(shù)據(jù)信息支撐，觀測人員在實(shí)踐環(huán)節(jié)，應(yīng)立足于無人機(jī)傾斜攝影的技術(shù)原理，扎實(shí)地做好技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用，確保區(qū)域范圍內(nèi)地理信息的有效收集與獲取。

2.1 無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取方法

無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)，出于影像資料獲取的考量，觀測人員應(yīng)著眼于實(shí)際，在科學(xué)性原則、實(shí)用性原則的引導(dǎo)下，做好無人機(jī)參數(shù)的獲取、調(diào)試工作。具體來看，在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，工作人員需要通過各類方式，提前進(jìn)入觀測區(qū)域，了解區(qū)域范圍內(nèi)地形、地質(zhì)、氣候情況，在此基礎(chǔ)上，選擇無人機(jī)鏡頭的數(shù)量、鏡頭角度，優(yōu)化定位系統(tǒng)、傳感器，通過上述工作，在保證無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取精度以及廣泛性的同時(shí)，提升無人機(jī)的可操控性，降低整體操作難度[2]。除了進(jìn)行上述設(shè)備參數(shù)的調(diào)試，為保證無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的有效獲取，還需要根據(jù)觀測區(qū)域的實(shí)際情況，科學(xué)判定外業(yè)觀測點(diǎn)設(shè)置的位置，明確無人機(jī)觀測的路徑，通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了測量精度的有效控制，為后續(xù)相關(guān)建模工作的開展提供了便利。

現(xiàn)階段，在使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的過程中，往往使用空中三角測量法，作為傾斜攝影的關(guān)鍵構(gòu)成，空中三角測量法在無人機(jī)傾斜影像獲取的有效性以及準(zhǔn)確性等方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，觀測人員通過GPS 定位系統(tǒng)，對觀測點(diǎn)進(jìn)行評估，并完成加密處理，無人機(jī)傾斜攝影使用的攝像頭較多，因此，與傳統(tǒng)的攝影技術(shù)相比，數(shù)據(jù)處理體量更為龐雜，難度更高，在使用空中三角測量的過程中，觀測人員應(yīng)采取聯(lián)合平差處理，將觀測對象的正射影像與多個(gè)傾斜影像銜接起來，避免遮蔽情況的情況出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)觀測對象各類數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)化呈現(xiàn)。

2.2 三維實(shí)景建模基本途徑

三維實(shí)景建模可以劃分為2 大部分，觀測人員依托于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，扎實(shí)做好影像數(shù)據(jù)的獲取以及處理工作。在這一環(huán)節(jié)，觀測人員對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)中獲取的觀測對象的正射影像以及其他傾角影像資料進(jìn)行整合，并對無人機(jī)運(yùn)行過程中使用的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過上述方式，推動(dòng)了三維實(shí)景建模準(zhǔn)備工作的順利開展。在建模環(huán)節(jié)，觀測人員通過操作系統(tǒng)軟件，將影像資料導(dǎo)入到軟件中，并將無人機(jī)傾斜攝影中使用的傳感器參數(shù)進(jìn)行錄入，通過錄入相關(guān)參數(shù)，對影像進(jìn)行二次校對，進(jìn)而保證了三維實(shí)景建模的準(zhǔn)確性。除了采取二次校對的方式之外，觀測人員在建模環(huán)節(jié)，還有必要做好空間關(guān)系的檢查，通過系統(tǒng)性的檢查，判定無人機(jī)傾斜攝影過程中，像控點(diǎn)設(shè)置位置與實(shí)際布設(shè)之間有無差異，一旦發(fā)現(xiàn)布控不一致的情況出現(xiàn)，應(yīng)做好反饋工作，采取有效措施進(jìn)行應(yīng)對，避免對三維實(shí)景建模工作產(chǎn)生妨害作用。在提交、計(jì)算三維實(shí)景模型的過程中，觀測人員需要合理選擇模型的呈現(xiàn)方式，如三維模型、正射影像圖、可修飾三維模型，滿足不同的使用需求，具體的觀測數(shù)據(jù)輸出類型，要求觀測人員根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行針對性地選擇。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下三維實(shí)景建模案例分析

考慮到現(xiàn)階段無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少的實(shí)際情況，在完成對無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取以及三維建模方法探討的基礎(chǔ)上，出于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，理順工作思路的考量，本文將黃山區(qū)屯溪區(qū)三維實(shí)景建模工作作為案例，通過全面系統(tǒng)的梳理，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下三維實(shí)景建模體系的完善，旨在為后續(xù)相關(guān)實(shí)踐工作的開展提供參考。

3.1 充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料

觀測人員在進(jìn)行黃山市屯溪區(qū)的地理信息獲取過程中，為了保證各項(xiàng)工作開展的指向性，充分利用已有的資料成果。安徽省設(shè)置了GPS/北斗雙模式定位系統(tǒng)基站，使其具備足夠的技術(shù)水平，提升了測量的精度。在此基礎(chǔ)上，觀測人員著眼于2018 年1頤10 000DOM 數(shù)據(jù)，開展觀測點(diǎn)的布控位置的設(shè)計(jì)、規(guī)劃以及完善工作，在合理布局的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了為后續(xù)各項(xiàng)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)，為三維實(shí)景建模工作的開展提供了技術(shù)支持，增強(qiáng)了三維建模的有效。除了進(jìn)行上述外業(yè)布孔以及精度測量控制工作，為了保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，還應(yīng)做好相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行工作，例如，黃山市屯溪區(qū)的地理信息獲取時(shí)，遵循GB/T 27920.1—2011《數(shù)字航空攝影規(guī)范》和GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范的要求，對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)流程進(jìn)行規(guī)范，增強(qiáng)了技術(shù)應(yīng)用的有效性，實(shí)現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)采集[3]。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)方法

黃山市屯溪區(qū)在使用無人機(jī)傾斜技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)景建模的過程中，為了提升三維實(shí)景建模的準(zhǔn)確性，像控點(diǎn)采用AHCORS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK 方式測量，實(shí)際作業(yè)中，高程控制點(diǎn)按平高控制點(diǎn)實(shí)測。在進(jìn)行布點(diǎn)前，先根據(jù)范圍和設(shè)計(jì)航線對測區(qū)進(jìn)行基本的分區(qū)，分區(qū)時(shí)盡可能采用矩形，再根據(jù)分區(qū)情況進(jìn)行布設(shè)，區(qū)與區(qū)接邊的部分保證有3 個(gè)及以上的控制點(diǎn)共用，以保證模型的接邊精度。測區(qū)像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí)，按每平方公里布設(shè)3 個(gè)像控點(diǎn)、3 個(gè)檢查點(diǎn)。檢查點(diǎn)應(yīng)選在影像清晰、目標(biāo)明確的地方。不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在凹凸拐角處加布平高點(diǎn)。通過上述布設(shè)方式，最大程度地提升了無人機(jī)傾斜攝影的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上，采取空中三角測量法，提升觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 三維實(shí)景建模基本策略

三維實(shí)景建模過程中，選擇ContextCaptureCenter 系統(tǒng)軟件，對無人機(jī)傾斜攝影獲取的資料依據(jù)相應(yīng)的處理流程，做好三維實(shí)景建模工作，具體流程如圖1 所示。

圖1 三維實(shí)景建模流程圖

通過做好初始化建模區(qū)域的操作，形成三維像對，并上生成像對點(diǎn)云，在此基礎(chǔ)上，組建三維TIN 網(wǎng)絡(luò)，觀測人員通過相關(guān)系統(tǒng)指令，對圖像匹配錯(cuò)誤而引起的TIN 進(jìn)行刪除和修復(fù)，并基于內(nèi)在幾何關(guān)系，將TIN 模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化，達(dá)到最佳的三維表達(dá)效果。最后根據(jù)三維TIN 的空間位置信息，自動(dòng)尋找最佳視角影像，并完成模型紋理的構(gòu)建，最終形成完整且真實(shí)的三維模型。

4 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影背景下三維實(shí)景建模，提升了區(qū)域地理要素的快速、準(zhǔn)確獲取，以更為直觀、全面的方式加以呈現(xiàn)，更好地滿足區(qū)域開發(fā)與社會(huì)生活的相關(guān)要求。為充分發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下三維實(shí)景建模的作用，本文以黃山市屯溪區(qū)作為研究對象，在探討無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理的前提下，不斷總結(jié)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，厘清技術(shù)應(yīng)用流程，逐步構(gòu)建了完善的三維實(shí)景建模機(jī)制。